Nano Lett.┃纳米级自旋波干涉仪的实现

英文原题：Reconfigurable Spin-Wave Interferometer at the Nanoscale

通讯作者：于海明，北京航空航天大学

作者：Jilei Chen 陈济雷, Hanchen Wang 王涵晨, Tobias Hula, Chuanpu Liu 刘传普, Song Liu 刘松, Tao Liu 刘涛, Hao Jia 贾浩, Qiuming Song 宋秋明, Chenyang Guo 郭晨阳, Yuelin Zhang 张跃林, Jinxing Zhang 张金星, Xiufeng Han 韩秀峰, Dapeng Yu 俞大鹏, Mingzhong Wu 吴明忠, Helmut Schultheiss, Haiming Yu 于海明

鉴于以电子自旋为基础的计算系统能够集合低能耗、高密度和非易失性等多种特性从而实现多种功能，近年来引起了科研界和产业界的极大兴趣和广泛关注。自旋波作为电子自旋的集体进动模式，有望用于新一代超越传统基于硅的集成电路工艺。由于自旋波无需电荷传输即可传播，其可在没有产热的情况下传输自旋信息，因此对于低能耗器件具有非常重要的意义。而如何构建具有紧凑性、可扩展性和可重构性的基于自旋波的逻辑架构对自旋波的应用具有重要意义。

波的干涉是利用波进行逻辑运算功能的基础。利用自旋波的干涉可以实现磁逻辑门和电路的设计。到目前为止，自旋波干涉的应用主要是利用波长在微米以上量级的偶极自旋波。与偶极自旋波相比，具有纳米级别波长和高传输速度的交换自旋波更有利于构建紧凑和高速的自旋波逻辑器件与电路，并能更好地和现今产业界的纳米电子元件和电路相适应。然而，目前基于短波长交换自旋波的干涉仪尚未通过实验实现。

图1. 纳米波长自旋波的相消干涉和相长干涉

近日，北京航空航天大学于海明教授在Nano Letters 上发表了利用纳米级别波长的自旋波实现自旋波干涉仪的工作，利用全电学自旋波探测系统在频域上实现了波长低至50 纳米自旋波的相长干涉和相消干涉，器件尺寸和自旋波波长较之前工作均缩小了两个数量级以上，并成功通过调节铁磁纳米线中的自旋取向实现了自旋波干涉仪功能的开关，迈出了基于GHz微波频段的纳米自旋波逻辑系统基础元器件的关键一步。

自旋波是磁性材料中电子的集体自旋共振。自旋波作为一种波可通过其相位来传递信息，更可用于信息的长距离传播。开发基于自旋波器件的第一个重要步骤是实现自旋波逻辑。自旋波干涉仪作为自旋波逻辑的基本构建模块，可实现对两个或多个自旋波的干涉。

图2. 自旋波干涉图样对于纳米线间距的响应。

在这项工作中，作者通过实验实现了自旋波波长低至 50纳米的纳米级自旋波干涉仪。用作短波长自旋波激发器的两个宽度为100 纳米的钴纳米线以不同间距放置在低阻尼的铁磁绝缘体薄膜的上方。具有相长干涉和相消干涉的自旋波干涉图像可以在频域中测量并在波矢空间中进行转换。作者发现，自旋波的干涉图样对于距离和波矢的变化高度敏感，可以通过调节这两个参数实现不同干涉图样。

图3. 可重构自旋波纳米干涉仪。

由于铁磁纳米线的独特自旋结构，其具有非易失性，可以利用一个较大外加磁场调节两根纳米线的自旋取向。当其自旋取向相同时，可以出现非常清晰的自旋波干涉图样；然而当两根纳米线的自旋取向相反的时候，有一根纳米线不在其共振频率，因此不能激发短波长自旋波。由于只有一束自旋波可以被激发，因此无法形成自旋波的干涉，从而实现了自旋波干涉仪的关闭功能。 

综上所述，作者通过实验实现了低阻尼铁磁绝缘体薄膜中波长低至 50 nm 的自旋波干涉仪。作者使用自旋波频谱探测技术在频域中检测到了自旋波的相长干涉和相消干涉，并利用布里渊光散射技术进行了进一步验证。作者发现，自旋波干涉图样对充当自旋波激发器的两条铁磁纳米线之间的距离高度敏感，并且通过控制两根铁磁纳米线的自旋取向，可以打开和关闭自旋波干涉仪。作者证明的纳米级自旋波干涉仪原型可应用于多种纳米磁体，并实现微波频率下纳米级非易失性逻辑计算的关键模块。

相关论文发表在Nano Letters 上，南方科技大学助理研究员陈济雷，北京航空航天大学硕士生王涵晨，德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心Tobias Hula博士，美国科罗拉多州立大学刘传普博士后和南方科技大学副研究员刘松为文章的共同第一作者，于海明教授为通讯作者。

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Reconfigurable Spin-Wave Interferometer at the Nanoscale

Jilei Chen, Hanchen Wang, Tobias Hula, Chuanpu Liu, Song Liu, Tao Liu, Hao Jia, Qiuming Song, Chenyang Guo, Yuelin Zhang, Jinxing Zhang, Xiufeng Han, Dapeng Yu, Mingzhong Wu, Helmut Schultheiss, and Haiming Yu*

Nano Lett., 2021, 21, 6237–6244, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02010

Publication Date: July 16, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）